1.5 Познавательный смысл измерений

Ранее было выяснено, что результатом измерений является именованное число. В чем же смысл проведения измерений и получения именованных чисел? Ответ состоит в следующем.

Измерения позволяют заменить физические величины (заряд и массу электрона; объем, давление, температуру газа; объемный расход, температуру, вязкость потока нефти и т.д.) числом, тем самым использовать для анализа явлений объективного мира всю мощь математического анализа. Другими словами, имея результаты измерений, можно обнаружить связи отдельных величин физических объектов между собой и записать их в форме уравнений. Например, закон Ома связывает между собой электрические ток, напряжение и сопротивление; уравнение Клапейрона – давление газа, занимаемый им объем и температуру; уравнение Бернулли – потенциальную и кинетическую энергию движущейся жидкости и т.д.

Анализ полученных уравнений позволяет строить научные предположения (гипотезы) о еще не известных свойствах материальных объектов. Далее следует экспериментальная проверка выводов из гипотез и если результаты измерений подтверждают предположения, то гипотеза переходит в разряд научных теорий. Приведем несколько примеров.

На какой базе была создана термодинамика? На результатах измерений параметров газов, выполненных Гей-Люссаком, Шарлем, Мариоттом, Джоулем, Кельвиным. Проведению исследований свойств газов предшествовало изобретение Г. Галилеем термометра и его учеником Э. Торричелли барометра (измерителя давления газа).

Результаты измерений Ампера и Фарадея, позволившие выяснить основные свойства электрического и магнитного полей, легли в основу теории электродинамики Максвелла.

Основные законы движения небесных тел Кеплер вывел из анализа таблиц измерений положения звезд и планет, выполненных астрономом Брегом.

Эйнштейн начал разработку теории относительности после того, как измерения скорости света, выполненные Майкельсоном и Морли, показали ошибочность предыдущих теорий о свойствах пространства.

Периодическая система элементов Менделеева базируется на измеренных значениях атомных весов и зарядов ядер атомов химических элементов.

О том, что наша Вселенная расширяется известно благодаря измерениям смещения частот световых лучей, приходящих от звезд, выполненных астрономом Э. Хабблом. Но если Вселенная расширяется, то когда–то она была сжата в невероятно плотный объект малого размера? Можно ли это подтвердить? (Как говорил Д.И. Менделеев: «Сказать - то можно что угодно, а ты поди-ка докажи»). Дальше рассуждения шли следующим образом. Если предположить, что началом расширения был взрыв сверхплотного объекта, то в момент взрыва (начало расширения) было только электромагнитное излучение (вещество начало образовываться позднее), остатки которого должны дойти до наших дней. Теоретики даже придумали ему название – реликтовое излучение. В 1964 г. два американских радиофизика Р. Вильсон и А. Пензиас, измеряя параметры космического радиоизлучения, обнаружили предсказанное реликтовое излучение.

Выводы теорий используются прикладной наукой для создания машин, аппаратов и различных видов продуктов промышленности. При этом контроль технологических процессов, свойств полуфабрикатов и готовых изделий невозможен без проведения миллиардов измерений.

Таким образом, можно констатировать, что вся мощь современной науки и техники базируется на измерениях.

К счастью, история сохранила для нас имя ученого, на чьих работах базируется вся мощь самих измерений. Это Галео Галилей, предложивший использовать измерения как средство познания окружающего мира, основоположник разработки измерительных преобразователей, изобретатель измерителя температуры и телескопа.

Завершим данный раздел заветом, оставленным Г. Галилеем последующим поколениям ученых: «Измерять все, что может быть измерено, и делать измеримым то, что измерить нельзя».

2 МЕЖДУНАРОДНАЯ СИСТЕМА ЕДИНИЦ (СИ)

2.1 ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ ПО ВЫБОРУ СИСТЕМЫ ЕДИНИЦ

В п. 1.3 были кратко рассмотрены единицы физических величин. Там же было указано, что исторически в каждой стране произвольно выбирались значения единиц, а для целей научного обмена и торговли составлялись обширные таблицы перевода одних единиц в другие.

По мере развития техники выявился еще больший недостаток существовавшего положения – несогласованность единиц (или, как говорят метрологи, отсутствие когерентности единиц). Несогласованность выражалась в том, что вычисленная по разным формулам одна и та же физическая величина имела различное числовое значение. Например, килограмм обозначал в одних системах массу тела, а в других – силу притяжения к Земле (вес тела). И если необходимо было вычислить силу по второму закону Ньютона, то приходилось уточнять о каких килограммах идет речь и вводить переводной коэффициент (в данном случае равный ускорению свободного падения).

Третья проблема частично затрагивалась в п. 1.3. Речь идет о стабильности физической реализации размера единицы. Действительно, если нет стабильного эталона единицы, то с чем сравнивать меры рабочих средств измерения? Что эти меры будут характеризовать?

Последняя проблема не решена до настоящего времени, но путь решения известен – выбор для эталонов стабильных физических процессов. В частности, излучения возбужденных атомов. Например, эталон метра – это (схематично) кварцевая трубка с газом криптоном низкого давления. Сквозь криптон пропускают электрический ток, возникает разряд и газ начинает светиться. Из всего излученного спектра света выделяют составляющую одной длины волны (оранжевая линия) и, с помощью интерферометра, подсчитывают число длин волн света при перемещении интерферометра на специальной каретке. Когда каретка сместится на 1650764 длин волн, то пройденное расстояние будет единицей длины – один метр.

В эталоне частоты и времени так же используют излучение, но паров цезия и суммируются не длины волн, а количество периодов колебаний световой волны; одной секунде соответствует 9192631770 периодов.

Принципиальное отличие эталонов длины и времени от, например, эталона массы килограмма (специально выполненная гиря) заключается в том, что в любом месте в любое время длины волн и частоты излучения атомов постоянны, а масса гири переменна (зависит от количества осевших или испарившихся с поверхности атомов).

С учетом всех указанных выше обстоятельств, были выработаны принципы создания международной системы единиц (сокращенно СИ).

Система СИ состоит из трех групп единиц:

– основные единицы (их меньше всего) устанавливаются независимо друг от друга;

- производные единицы (получаются из основных по специальным правилам);

- кратные и дольные единицы (получаются из основных и производных по специальным правилам).

Единицы величин СИ введены в России ГОСТ 8.417-2002 [5] и подлежат обязательному применению. Ниже рассмотрим основные положения [5].